泵類軟控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

于 柏，夏 華

（1.天津商業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，天津 300134；2.天津商業(yè)大學(xué) 經(jīng)濟(jì)學(xué)院，天津 300134）

0 引言

泵系統(tǒng)啟?？刂蒲b置是供水系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，是保障供水安全、可靠，提供優(yōu)質(zhì)水源的關(guān)鍵設(shè)備。泵系統(tǒng)在啟停過(guò)程中由于電機(jī)的固有特性和水泵的負(fù)載特性普遍存在著沖擊電流、轉(zhuǎn)矩浪涌、停機(jī)關(guān)泵水錘等現(xiàn)象[1]，其中超高的啟動(dòng)電流易對(duì)電網(wǎng)形成沖擊，危害電網(wǎng)的安全運(yùn)行，促進(jìn)電機(jī)線圈老化；巨大的轉(zhuǎn)矩浪涌對(duì)電機(jī)及傳動(dòng)設(shè)備產(chǎn)生猛烈沖擊，造成設(shè)備損壞，直接影響設(shè)備的使用壽命；停機(jī)關(guān)閉水錘更具破壞性，輕則造成管路破裂跑水，降低設(shè)備的使用壽命，重則釀成危及人身和泵站安全的事故。這些現(xiàn)象的發(fā)生都對(duì)供水系統(tǒng)安全運(yùn)行造成了致命的危害。

針對(duì)上述問(wèn)題的存在，我們研發(fā)了一種集晶閘管變流技術(shù)、電力電子技術(shù)、鎖相環(huán)技術(shù)、參數(shù)優(yōu)化識(shí)別技術(shù)和微處理技術(shù)于一體的全新調(diào)壓調(diào)速軟控裝置，該裝置能實(shí)現(xiàn)泵類供水系統(tǒng)的優(yōu)化控制，有效降低故障率，節(jié)約維護(hù)費(fèi)用，節(jié)能降耗，達(dá)到科學(xué)管理，保障系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行，確保設(shè)備和人身安全。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

軟控系統(tǒng)由三相晶閘管主電路和控制電路組成，其中控制電路主要由檢測(cè)電路、微處理器、驅(qū)動(dòng)電路等部分構(gòu)成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

主電路選用三對(duì)反并聯(lián)大功率晶閘管（SCR）串接于電動(dòng)機(jī)的三相供電線路上，組成不帶零線的三角形（或星型）電路，根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與電機(jī)的輸入電壓平方成正比（F∝U2）的關(guān)系，只要改變電機(jī)輸入電壓就可實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速，利用晶閘管的開(kāi)關(guān)控制特性，通過(guò)改變晶閘管的觸發(fā)角，來(lái)調(diào)節(jié)晶閘管調(diào)壓電路的輸出電壓，實(shí)現(xiàn)控制電機(jī)的平穩(wěn)加減速[2]。

圖1 系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)控制電路可對(duì)水泵電機(jī)運(yùn)行進(jìn)行有效控制，尤其是啟動(dòng)和停機(jī)過(guò)渡過(guò)程的控制，能夠依據(jù)運(yùn)行負(fù)載的情況條件，自動(dòng)優(yōu)化調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩。當(dāng)CPU接到鍵盤(pán)優(yōu)化指令時(shí)，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，完成第一個(gè)啟動(dòng)周期的電壓、電流檢測(cè)并不斷按泵的負(fù)載特性曲線（提前寫(xiě)入CPU中）進(jìn)行比較、分析、計(jì)算、儲(chǔ)存，進(jìn)而確定功率因數(shù)角、時(shí)間常數(shù)、限流值、突跳電壓值等參數(shù)，由此完成不同泵系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)置。當(dāng)CPU接收到鍵盤(pán)的開(kāi)停機(jī)指令時(shí)，把由同步電源整形、濾波檢測(cè)到的同步信號(hào)經(jīng)分析計(jì)算出移相角的大小，送入觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路，送出六路觸發(fā)脈沖，通過(guò)功率驅(qū)動(dòng)及脈沖調(diào)制、脈沖隔離電路來(lái)控制SCR導(dǎo)通角度，對(duì)電機(jī)的定子電壓進(jìn)行調(diào)整，完成泵系統(tǒng)啟停過(guò)程的加減速控制，達(dá)到優(yōu)化控制電機(jī)啟停特性目的[3]。

2 控制電路工作原理

控制電路原理圖如圖2所示。

圖2 控制電路原理圖

2.1 信息檢測(cè)輸入輸出

1）同步電源檢測(cè)電路

軟啟動(dòng)器需要與電網(wǎng)進(jìn)行同步操作，這就要求控制電路一定要與電網(wǎng)嚴(yán)格同步，同步電源檢測(cè)就是為了實(shí)現(xiàn)此功能而設(shè)立的，通過(guò)利用現(xiàn)代通信技術(shù)中的鎖相環(huán)技術(shù)來(lái)解決微機(jī)控制軟啟動(dòng)器的觸發(fā)同步信號(hào)抗干擾問(wèn)題，CD4046鎖相環(huán)具有自動(dòng)頻率跟蹤、相位自動(dòng)檢測(cè)等功能，最重要的是利用其窄帶特性把受到嚴(yán)重干擾的有用信號(hào)的諧波分量濾掉，完好地恢復(fù)其本來(lái)面目。CD4046鎖相環(huán)由相位比較器、電壓控制振蕩器和低通濾波器三個(gè)基本單元構(gòu)成，其原理結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 鎖相環(huán)原理結(jié)構(gòu)圖

從主電路三相線路中，直接接入一相，取其同步過(guò)零信息，以A相為例，將A相接入LM393相位比較器，當(dāng)主電路電壓過(guò)零時(shí)比較器發(fā)生翻轉(zhuǎn)，這就是同步信號(hào)。將此同步信號(hào)輸入CD4046鎖相環(huán)的BIN端做為被鎖定信號(hào)，這個(gè)信號(hào)與壓控振蕩器分頻后的頻率共同經(jīng)過(guò)相位比較器，此相位比較器的的輸出Vc經(jīng)低通濾波器得到一個(gè)控制電壓Vd，壓控振蕩器根據(jù)這個(gè)信號(hào)做出調(diào)整，從Vo端輸出調(diào)整后的頻率，直至最后輸出的頻率與輸入頻率的頻差在允許范圍之內(nèi)為止，這就將頻率鎖定在與電網(wǎng)同步的范圍之內(nèi)，這個(gè)信號(hào)最終接入AT89C51的INT1口，通過(guò)中斷使CPU與電網(wǎng)同步工作。

2）電流反饋檢測(cè)

在限流控制模式和泵停機(jī)模式中，為實(shí)現(xiàn)電流閉環(huán)控制需要隨時(shí)反饋當(dāng)前的電流值，這就要求電路要有一個(gè)實(shí)時(shí)的電流反饋信號(hào)，這個(gè)電流反饋信號(hào)從經(jīng)過(guò)控制后的電動(dòng)機(jī)上取得即時(shí)電流值大小，電流反饋檢測(cè)把這個(gè)電流值通過(guò)ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，PI控制及閉環(huán)電流反饋電路計(jì)算出電流的偏差值，送入CPU，由CPU作出相應(yīng)處理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)恒流控制。

3）鍵盤(pán)及顯示部分

鍵盤(pán)及顯示接口是控制系統(tǒng)與操作人員進(jìn)行交互的窗口，既可及時(shí)反映系統(tǒng)運(yùn)行的重要狀態(tài)，又能在必要時(shí)實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)娜斯じ深A(yù)。鍵盤(pán)顯示芯片8279是鍵盤(pán)輸入和數(shù)碼顯示控制的專用器件，能自動(dòng)實(shí)現(xiàn)去抖動(dòng)和重鍵處理功能并提供中斷支持，由于動(dòng)態(tài)掃描功能是由8279內(nèi)部完成，所以控制程序不需要對(duì)顯示進(jìn)行維持。鍵盤(pán)顯示部分可進(jìn)行初始值及控制模式設(shè)定等操作，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)前將設(shè)定值送入CPU中，并讓CPU做初始化處理，同時(shí)各種優(yōu)化操作也可由鍵盤(pán)進(jìn)行控制，顯示部分是為了讓各項(xiàng)參數(shù)更加直觀，配合鍵盤(pán)輸入而設(shè)置的，同時(shí)當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)可顯示故障代碼，方便操作人員準(zhǔn)確判斷故障。

2.2 微處理器部分

本裝置選用51系列單片機(jī)AT89C51，此低電壓、高性能的CMOS 8位微控制器為嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且廉價(jià)的解決方案[4]。通過(guò)其CPU我們可以進(jìn)行控制方式選擇、參數(shù)自整定、觸發(fā)角度計(jì)算、故障診斷數(shù)學(xué)模型建立、優(yōu)化控制等相關(guān)功能的實(shí)現(xiàn)，具體的控制算法和選擇問(wèn)題由軟件來(lái)完成解決。

2.3 觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路

從CPU的輸出端口，經(jīng)過(guò)CPU內(nèi)部的數(shù)據(jù)處理，計(jì)算出合適的觸發(fā)角度，根據(jù)這個(gè)數(shù)值發(fā)出相應(yīng)的觸發(fā)脈沖，觸發(fā)電路采用雙窄觸發(fā)脈沖，并對(duì)觸發(fā)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，把觸發(fā)電平與調(diào)制信號(hào)相疊加，變成高頻觸發(fā)信號(hào)，調(diào)制后的高頻信號(hào)被接入到功率集成驅(qū)動(dòng)芯片ULN2003中，ULN2003為高電壓、大電流集成功率驅(qū)動(dòng)電路，每片有七路驅(qū)動(dòng)電路，每路可提供500mA的驅(qū)動(dòng)電流，高頻觸發(fā)信號(hào)再通過(guò)脈沖隔離電路實(shí)現(xiàn)對(duì)主電路中SCR導(dǎo)通角度的控制，完成電機(jī)電壓的控制功能。

3 系統(tǒng)功能和技術(shù)特點(diǎn)

1）采用參數(shù)識(shí)別優(yōu)化控制技術(shù)和智能控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)、時(shí)間常數(shù)、限流倍數(shù)、起跳電壓等參變量的自整定自優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了水泵電機(jī)平滑軟起軟停的全數(shù)字控制。

2）采用鎖相環(huán)技術(shù)，設(shè)計(jì)同步信號(hào)的軟硬件鎖相，實(shí)現(xiàn)良好的環(huán)路動(dòng)態(tài)性和穩(wěn)態(tài)性，抑制噪聲源，有效地解決同步信號(hào)的干擾問(wèn)題。

3）軟硬件相結(jié)合，運(yùn)用智能控制算法，設(shè)計(jì)軟件故障識(shí)別模塊，建立故障級(jí)別檔案，設(shè)立完善的系統(tǒng)保護(hù)功能，最大限度的縮小因控制系統(tǒng)故障造成的硬停機(jī)。

4）采用功率集成模塊與調(diào)制電路、脈沖隔離電路相結(jié)合，控制SCR的開(kāi)通角度，完成調(diào)壓控制功能，提高抗干擾性，確保觸發(fā)的可靠性和一致性。

5）設(shè)計(jì)多種啟停機(jī)方式，以實(shí)現(xiàn)不同類型的負(fù)載啟停轉(zhuǎn)矩特性的最優(yōu)化控制。

6）三對(duì)晶閘管反并聯(lián)接成三相三線調(diào)壓電路，負(fù)載接成星型或角型不設(shè)中性線電路，消除三次諧波的干擾。

7）強(qiáng)化電源濾波，采用模塊化設(shè)計(jì)，強(qiáng)化接地和布線工藝，接入反響偏置電路、看門(mén)狗、光電耦合隔離電路等，建立完善的抗干擾系統(tǒng)，有效地克服各種高強(qiáng)電磁波的干擾。

4 結(jié)束語(yǔ)

泵系統(tǒng)軟控裝置經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行測(cè)試，有效地降低了啟動(dòng)電流，啟動(dòng)電流由7.5降至3倍的額定電流值；改善了電網(wǎng)質(zhì)量，啟動(dòng)電壓由147V降到35V左右[5]；消除了停泵水錘，由原來(lái)的3倍運(yùn)行壓力降至為零，百分之百消除了水錘現(xiàn)象；同時(shí)大幅度降低了維護(hù)成本和維修頻率，有效延長(zhǎng)了泵系統(tǒng)設(shè)備的使用壽命，確保了系統(tǒng)的安全、優(yōu)質(zhì)、穩(wěn)定運(yùn)行，具有良好的市場(chǎng)前景和較高的應(yīng)用價(jià)值。